[發明專利]鼓型刀具多坐標寬行加工的刀位優化方法

無效

• 申請號: 200710100276.7
• 申請日: 2007-06-07
• 公開（公告）號: CN101063880A
• 公開（公告）日: 2007-10-31
• 發明（設計）人: 陳志同;張洪;陳五一;張俐
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G05B19/19
• 分類號: G05B19/19
• 代理公司: 北京永創新實專利事務所
• 代理人: 官漢增

技術領域

本發明涉及一種適用于多坐標數控機床加工過程的刀具位置和運動軌跡優化的方法，采用緯線分劃進行鼓型刀具位置和姿態優化的方法可以用于精確控制加工誤差、大幅度提高加工效率和顯著降低編程難度和工件制造成本。

背景技術

在用球頭刀加工柱狀工件曲面時，如果刀具的曲率半徑與工件曲面上任意一點的某方向曲率半徑大小相等、凹凸相反，則可以一次性在工件曲面上加工出很寬的加工區域，該區域的有效寬度稱為行寬。理論上，曲面加工的行寬應該利用曲線長度度量，但是在通常情況下，加工區域的法矢量都不會超過180度，因此利用該區域的橫截線的弦長表示更加簡單。如果增加工件的曲率半徑和球頭刀的曲率半徑的差，那么在公差帶范圍內能夠加工出的行寬會逐漸減小，因此，在曲面加工時要提高加工效率應該使刀具的曲率半徑盡可能接近工件的曲率半徑，這種曲率很接近的狀態稱為曲率吻合。

但是，一般曲面工件上的不同點、同一點的不同方向的曲率半徑是不同的，采用具有單一曲率的球頭刀不能實現與所有點的曲率吻合。鼓型和環面刀具或磨具等復雜刀具工作面上不同點和同一點不同方向的兩個主曲率是變化的，一把復雜刀具可以看成無數把球頭刀具的組合。如果妥善設計復雜刀具并使其曲率半徑的變化范圍基本覆蓋被加工曲面上各點的曲率變化范圍，那么就可以通過調整刀具和工件的相對位置和姿態使得二者在公差帶內盡可能大的范圍實現良好的曲率吻合，從而獲得盡可能大的行寬。

在國外，斯圖加特大學最早(1976年)定性研究了不同刀具加工復雜曲面的誤差分布規律，waterloo大學先后提出主曲率匹配法、多點法、滾球法和AIM算法等多種提高行寬的計算方法，其中多點法假設刀具和工件具有兩個以上接觸點，在多數時候具有正確性，并可以在較大范圍研究曲面和工具的吻合情況，因此可以獲得很大的加工行寬；瑞士Starrag公司在此基礎上申請了2項專利(US6,485,236)、(EP1040396)，這兩份專利介紹了一種利用Hermite多項式來近似表達w型誤差曲線的刀位優化方法，這樣可以只要計算中間點的誤差就可以對全部誤差分布函數進行估計，因此可以顯著提高誤差分布函數的計算效率。這些方法的共同不足是：1)利用刀具和工件在一點切觸來優化刀位，不利于后期的刀軌等波高排列；2)沒有將刀位優化和干涉檢查統一到一個模型，需要后續的迭代調整計算；3)利用切觸點計算的方法容易導致誤差放大和刀軌波動，甚至出現不收斂；4)不能用于解決鼓形刀的刀位優化問題。在國內，張洪等(1982年)觀察到了基于局域曲率吻合原則進行刀位計算的不足，提出應在刀具和工件接觸的全范圍內討論曲率分布問題，即宏域曲率吻合原則問題，趙宗平等(1990年)曾提出利用鼓形刀橫截面同時截取刀具和工件以得到兩條截形線族的誤差分析方法，并試圖解決鼓形磨具磨削葉輪的刀位可視化問題。這種方法希望利用化整為零的方法直接度量加工誤差的大小，但是所采用的具體方法具有理論誤差。倪炎榕等(2001年)提出通過計算刀具和工件之間的誤差分布實現“寬行加工刀位優化”的基本思想，呂雪麗等(2003年)進一步提出了刀具-工件“最短距離線對”(Minimum?Distance?Line-pair)概念，金曼等(2006年)提出雙端點誤差控制算法，利用有效特征線段的兩個端點定位刀具，解決了刀軌的排列問題，但是該算法采用的是反函數，不能和常規優化方法結合，不利于融合切削過程所需要的其它約束條件，也不利于向非環面刀擴展。

為了解決上述方法中存在的問題，本發明根據鼓形刀具加工曲面時特征線與緯線的相交性提出了將刀具表面用緯線分劃求解特征線和獲得刀具的位姿的方法。

發明內容

本發明是一種鼓型刀具多坐標寬行加工的刀位優化方法，有下列優化步驟：